杨杰 浙江省杭州市萧山区戴村镇永兴中心小学 311261
摘 要：本文从多因素实验的定位及其优点、当前小学科学教学中多因素统计和分析、多因素实验的处理与效果、多因素对比实验的发展四方面进行了论述，力求解决单因素实验重复操作耗时且数据分析不全面的问题，使实验在短时间内获得大量可靠数据的同时，又能直观地对实验数据进行对比分析，得出实验结论，有利于培养孩子在科学探究中的实验能力和科学素养。
关键词：单因素实验 多因素 设计
单因素实验是指设置两个或两个以上的实验组，通过对一个因素对比结果的比较分析，来探究一个因素与实验对象的关系。它是一种探究科学问题的方法， 也是一种科学的思想方法。小学教材中的对比实验大多将多因素影响拆分成对单因素进行逐个研究，从而得出科学结论。这样的方法无法体现多因素之间的交互作用，更无法对多因素对比实验结果进行综合分析，实验结论往往与实际相差甚远，结论的理论性也有所欠缺。同时，由于对影响因素逐一研究需要耗费大量时间，课堂40分钟的时间往往不够，一方面教师感觉上课匆忙、时间紧迫，另一方面学生在汇报交流过程中对数据的研讨往往也是流于形式。因此，笔者采用多因素对比实验设计方法对小学科学对比实验进行了初步探究。
一、多因素实验定义及其优势
多因素实验是指在一个实验中同时存在两个或两个以上因素，且都能对实验结果和结论造成影响的实验，包括多因素组内实验、多因素组间实验和混合实验。它是复合的单因素对比实验。单因素实验是考察单一因素对实验的影响。
多因素实验的优势：1.它能够研究多个因素之间的相互作用，节省实验操作时间。2.由于多因素对比实验设计考察的影响自因素的因素较多，因此，得出的结论与实际情况更为接近，结果的推论性也相应提高了。
单因素实验 → 简单多因素实验 → 复杂多因素实验
二、小学阶段的多因素实验
在小学科学课程的教材中，三(上)《比较柔韧性》《它们吸水吗》、《谁流得更快一些》等课中就已经初步涉及到了因素控制策略，但这些均为单因素实验。从四年级开始，学生开始尝试接触多个自因素对因因素的影响，如四年级上册《溶解的快与慢》一课中，影响物质溶解快慢的因素分别为是否搅拌、温度高低以及颗粒大小。
笔者对小学科学3-6年级教材进行筛选和分析，将小学阶段可进行多因素对比实验设计的课程内容统计如下：
三、多因素实验的处理与效果
多因素对比实验设计应符合学生的年龄智力发展水平，根据不同年段学生思维发展的特点设计不同层次的实验。
1.多因素组内实验设计。多因素组内实验是将两个或两个以上因素进行组内设计，避免实验的重复，挖掘对比实验的深度和广度。例如：四年级上册《溶解的快与慢》，教材旨在让学生在亲身经历“问题——假设——验实验证——结论”的科学探究过程和控制单个因素进行对比实验的过程中， 认识可溶性的固体物质在水中溶解的快慢与物体颗粒大小（即表面积的大小）、水温、液体是否被搅动等因素有关，从而探究影响溶解快慢的因素有哪些。
依据教材，教师设计这样了的活动。师：同学们，老师这里有一杯清水，你来尝一尝是什么味道？生：没有味道。师：我在这里加入一勺盐，你再来尝一尝什么味道？生：还是没有味道。师：这是怎么回事呢？生：食盐没有溶解。师：你有什么好方法可以加快食盐溶解么？生1：加热。生2：搅拌。师：如何验证搅拌这个方法呢？生：取两个杯子，都加入100毫升水，加入相同的食盐，一杯搅拌一杯不搅拌。学生进行实验5-10分钟。师生总结发现，搅拌可以加快溶解。师：如何验证加热对溶解快慢的影响呢？生：取两个杯子，分别加入100毫升热水和冷水，加入相同的食盐，两杯都搅拌。学生进行实验5分钟。师生再次总结，加热可以加快溶解。
这样的组内分次实验设计，实验结果是学生已知的且很容易得出，可以说毫无意义。搅拌和加热是学生生活中经常接触并高频率使用的方法，这两个对比实验并不会对学生已有的认知和前概念产生冲突，孩子只是经历了一个观察实验，是一个机械操作，缺少探究的过程。教学过程中没有给学生留下太多的空间，孩子只能在教师设计的道路上行走。“溶解的快与慢”其实是一个探究空间比较大的活动，因为学生对实验的预测直接影响了它的实验设计。
这一节课，我们重新创设情境，根据学生已有认知，重新整合设计成多因素组内对比实验。师：最近天气冷不冷？生：冷。师：想不想喝一杯奶茶？生：想。师：有多少种方法泡这杯奶茶呢？生1：用热水。生2：热水搅拌。生3：冷水。生4：冷水搅拌。师：你们认为哪种方法最快？生：热水搅拌。师：那你们觉得是什么因素影响了它们溶解的快慢？生：温度。生：搅拌。师:这只是你们的猜测，需要实验来验证。如果让你们选，你会选择哪两个杯子比？生：热水和冷水。师：比较哪个因素？生：温度。师：怎么比才公平呢？生：水要同样多。生：同样多的盐。生：同时加入。师：这些我们称为相同的条件。师：热水和冷水我们可以比，谁和谁也能比呢？学生讨论设计实验，完成学习单（如图1）。
图1. 溶解的快与慢学习单
仔细地研读教材，体会设计的用意后，站在学生的角度去设计对孩子有意义的活动。改成这样的设计，注重利用学生已有认知，增加了学生的活动空间，让学生明白猜测不是凭空想象，猜测的结果会影响到实验的设计、实验的过程和实验的方法。溶解的方法可以是冷水搅拌、热水搅拌、冷水不搅拌、热水不搅拌，共两个因素的影响。可以排列组合形成4组不同实验，两两对比同时实验，大大缩短了探究活动时间，从而达到一次实验多次对比的作用。
2.多因素组间实验设计。多因素组间实验是单因素组间实验设计的扩展。在明白了多因素与控制量后，往往是分小组进行实验方案的设计。从五年级开始，老师要做到有收有放，由扶到放，逐步培养孩子们的实验设计能力。要结合孩子的年龄特点，随着他们探究能力的增强和实验经验的丰富，探究的深度也更深入。在组内合作的基础上，进行组间合作，打破了小组合作的空间区域限制。例如五年级下册《摆的研究》中，孩子设计的实验方案包括以下三种：方案一，摆的摆动快慢与摆锤的轻重有关；方案二，摆的摆动快慢与摆绳的长短有关；方案三，摆的摆动快慢与摆幅的大小有关。无论是哪种方案，当研究其中一个因素时，一定要控制其余的量不变。在研究方案一时，摆锤的重量先是一个钩码，接着分别增加到2个钩码、3个钩码，控制其余量不变的情况下记录摆的次数；研究方案二时，摆绳长度分别是10厘米、20厘米、30厘米，控制其余量不变的情况下记录摆的次数；研究方案三时，在摆幅控制器中，让摆幅夹角分别是20度、40度、60度时，控制其余量不变的情况下记录摆的次数。
这样的对比实验看似方案非常完善，是科学研究的重要步骤，但是在平时的科学教学中，往往因为课堂40分钟的时间束缚，造成学生时间紧张，甚至不能完成实验。因素越多，设计的方案就越多，需要孩子做的实验就越多。实验无法完成，会直接影响数据的收集和处理，进而更会对数据的研讨和交流造成极大的负面作用。因此要提高课堂实验的效率，就必须重新整合设计实验，既要顾全实验的完整性，又要考虑到时间的限制。由于受到40分钟的时间限制，在《摆的研究》中，教师可引导学生跨区域合作，由组内合作向组间合作发展，将摆锤的轻重、摆绳的长短、摆幅的大小三个因素进行多因素组间合作。学生很容易发现三个因素会形成六个不同子因素，轻摆锤与重摆锤、长摆绳与短摆绳、大摆幅与小摆幅。将这六个因素进行排列就会得到8种组合实验方法，每个小组分别进行一种摆的研究，大大缩短了探究活动的时间。同时本实验设计可以获得大量实验数据，有利于对实验结果的分析，从而深化学生对对比实验的理解。
组号摆的设计
1 大摆幅+轻摆锤+长摆绳
2 大摆幅+重摆锤+长摆绳
3 大摆幅+轻摆锤+短摆绳
4 大摆幅+重摆锤+短摆绳
5 小摆幅+轻摆锤+长摆绳
6 小摆幅+重摆锤+长摆绳
7 小摆幅+轻摆锤+短摆绳
8 小摆幅+重摆锤+短摆绳
3.复杂多因素实验设计。复杂多因素对比实验设计中的因素既包含组间因素又包含有组内因素时，称之为混合实验设计。也就是说，当因素非常多，数据统计过于庞大，运用组内设计和组间设计都无法有效开展探究活动，就要选用混合实验设计。混合实验设计打破了组合和组间的限制，达到了人人提供数据，全班共享成果的目的。例如六年级上册《相貌各异的我们》，教材安排了三个教学活动：观察我们的不同，班级相貌普查，讨论相貌的唯一性。在教学中发现，要引导学生通过自主探究活动解决问题存在诸多困难，具体表现为以下方面：一是教材的第一个环节要求学生画一画同学的样子，其目的是借助绘画给学生更多的视觉刺激。要将人的不同相貌用简笔画的形式描绘出来，对于大多数学生来说是有难度的，因此这个活动在许多老师的课堂中都被摒弃了。二是在班级相貌普查活动中，收集班级相貌特征需要耗费许多时间。这个环节主要是为相貌特征的排列组合汇总数据，需要通过教学手段的优化来减少时间的浪费。
相貌特征不同性状的排列组合是一个难点，课堂中学生难以计算相貌分类的种类。5种相貌特征有32个类别，10种特征有1024个类别，20个特征的类别有一百多万种。这个过程是教师主导下的一种数学计算，学生难以主动参与，概念构建缺少必要的感性支撑，学生的探究活动往往是在教师强势主导下展开的，学生参与率不高，对于概念的理解不深入。
为了在本课的教学中引导学生开展长时探究，我们利用数据统计的优势搭建了任务支架，以帮助学生利用“支架”自主活动。学生通过之前的研究已经知道，人的发际、头发、眼皮、耳垂、下颌5个相貌特征表现出的不同性状，会组合出32种相貌类型。利用表格提供了32个分类信息，每位学生可以找到自己的类别，并把信息填表（如图2）。这样，全班同学的相貌情况就会综合反映出来，学生利用这些生成的信息可以分析班级同学相貌的总体情况。本课中，相貌分类的排列组合是一个难点，学生经历了5种特征排列组合的过程，也收集了更多相貌特征的数量，为自主探索更多的排列组合打下了基础。
四、多因素实验的发展
当对比实验的因素过多时，学生对实验的实施过程可能会失去良好控制，结果解释也会有一定的复杂性。多因素对比实验设计的结果包括各因素的主效应和交互作用，因素和因素的水平越多，实验结果的解释就越困难。
在确认分解的各因素之间不存在干扰作用的前提下，将复杂的多因素对比实验设计分解为若干个单因素和简单的多因素实验设计，分多次实施实验，然后再将多个实验获得的数据放到一起进行分析和讨论，这样就减少了由于实验设计的复杂给学生实施实验带来的困难，提高了学生对实验过程的可控性。
参考文献
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[5]徐春建 《小学科学实验教学整体优化》.讲座，2013，5。
论文作者:杨杰
论文发表刊物:《中小学教育》2018年第310期
论文发表时间:2018/1/31
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